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Análisis Químico

Análisis químico de los líquidos

Es mas fácil y económico analizar los líquidos que el aerosol. De hecho, el análisis químico de los líquidos es parte del control de calidad que la regulación debe exigir a los fabricantes. El análisis de los líquidos no predice completamente los resultados del análisis del aerosol, ya que el proceso de vaporización introduce por degradación térmica contaminantes (orgánicos e inorgánicos) ausentes en la solución líquida inicial (la cual también tiene impurezas).

Análisis químico del vapor

  • El objetivo del análisis es cuantificar la exposición del vapeador por su inhalación voluntaria (o de personas en su entorno por respiración involuntaria) a los componentes del vapor.

Exposición del vapeador a un compuesto. Se calcula multiplicando la concentración (densidad) del compuesto, medida directamente por técnicas cromatográficas a través de una máquina de vapeo o en una cámara de laboratorio acondicionada para el volumen de exposición (espacio de respiración personal) en un tiempo de exposición dado de referencia.

La exposición por inhalación en un tiempo dado a un compuesto implica una fracción del aire mas aerosol total respirado en ese tiempo. Por lo tanto, la concentración obtenida se debe multiplicar por el cociente del aire + vapor inhalado por minuto entre el aire + vapor total respirado por minuto. El volumen inhalado al vapear es aproximadamente 8 litros por día = 8/1440 = 0.0055 litros por minuto, mientras que el respirado es aproximadamente 8 litros por minuto, el cociente entre estos volúmenes resulta ser una fracción muy pequeña: 0.0007 (la siguiente discusión se basa en esta fuente).

Volumen de exposición. Las concentraciones suelen darse típicamente en miligramos (mg) por metro cúbico o en “partes por millón” (ppm = miligramos/metro cúbico X 24.45/peso molecular). El volumen de inhalación de aire mas vapor se inhala en una calada típica en el area personal de respiración. Las máquinas de vapear (al igual que las de fumar) deben ser calibradas para que correspondan al volumen de exposición. Los experimentos que utilizan vapeadores deben relacionar concentraciones medidas en una cámara con las del area personal de respiración (ver ejemplo más adelante).

Tiempo de exposición. La exposición varía con el tiempo en ciclos de inhalación y exhalación, incluso entre calada y calada. Se considera una ciclo de cadencia promedio para tiempo total dado que puede ser una hora o típicamente 8 horas, jornada laboral. Se calculan cuantas caladas da el vapeador en este periodo. También se puede utilizar la misma calada como tiempo de referencia (exposición a una concentración dada por calada). Como todos los compuestos son inhalados en la misma calada, esto permite comparar exposiciones en términos de concentraciones.

Toxicidad vs concentraciones. Se compara la exposición resultante (típicamente en miligramos) de cada compuesto con valores de referencia toxicológicos para el mismo tiempo de exposición, ya sea obtenidos para experimentos con humo de tabaco (referencia) o para umbrales de tolerancia en estándares de seguridad de exposición. Un ejemplo de este tipo de umbrales son los Valores Umbrales Límite (Threshold Limit Values, TLV) definidos por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (Occupational Security and Health Administration, OSHA) de los EUA como:

concentraciones en el aire de sustancias químicas que representan condiciones a las cuales se supone que la casi totalidad de trabajadores pueden estar expuestos, día tras día, por el total de su vida laboral, sin sufrir efectos adversos” (fuente).

Estos valores umbrales se obtienen mediante datos epidemiológicos o “en forma experimental en ensayos realizados con animales, se miden las respuestas tras ensayar varias dosis y se ajustan los datos obtenidos a una curva dosis-respuesta.” (fuente).

Información sobre compuestos químicos. Consultar los siguientes enlaces:

los cuales proporcionan información, pública y fidedigna, de organizaciones gubernamentales de los EUA sobre una gran variedad de compuestos orgánicos, inorgánicos y materia particulada y sobre sus umbrales de seguridad.

Eliminación de toxinas. La generación de compuestos orgánicos por la degradación térmica del propilenglicol y el glicerol es bien conocida. Por lo que en caso de detectar algún compuesto tóxico “nuevo”, lo mas probable es que provenga de alguna impureza o saborizante, por lo que es posible rastrear su generación a partir del análisis del líquido. En tal caso, el componente “culpable” puede ser eliminado del líquido. Este fue el caso de líquidos que contenían diacetilo (ver discusión detallada). En contraste, no es posible (o es muchísimo mas complicado) manipular el tabaco para extraer algún compuesto tóxico en el humo del cigarro.

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Dificultades técnicas en el análisis químico del aerosol del cigarro electrónico. 


Mezclas de compuestos. La exposición a un solo compuesto no es una medida realista ya que, tanto el vapor como el humo del cigarro, son mezclas de múltiples compuestos con diferente toxicidad, los cuales podrían interactuar químicamente entre si. Por lo tanto, es necesario evaluar el Limite de Exposición Ocupacional (Occupational Exposure Limit OEL) para la mezcla. Suponiendo (para propósito de ilustración) que la mezcla consta de 4 compuestos, en base a la siguiente fórmula (ver fuente):

OEL(mezcla) = C1/TLV1+C2/TLV2+C3/LTV3+C4/LTV4 – 1

donde C1, C2, C3, C4 y TLV1, TLV2, TLV3, TLV4 son las concentraciones y los valores de los valores umbrales límite (TLV) de cada compuesto. Si el OEL de la mezcla es mayor que 1, la mezcla no cumple con el estándar del TLV.

La “topografía del vapeo”. El estimar el volumen de inhalación en el vapeo no es trivial y requiere entender bien la “mecánica” o “topografía” de la calada. Típicamente se utilizan “maquinas de fumar” de fabricación comercial usadas para el estudio del humo de tabaco, las cuales deben ser ajustadas a los cigarros electrónicos para que permitan aproximar los tiempos de calada y el intervalo entre cada calada en el vapeo (lo cual es diferente de los de fumar cigarros de tabaco).

Estas máquinas capturan un volumen de aire y aerosol (idealmente) correspondiente a una calada, estimando directamente concentraciones de compuestos en base a diversas técnicas experimentales de la química analítica (ver ejemplo más adelante).

El principal problema al estimar la concentración es que esto depende de la “topografía” de la calada en el vapeo, la cual es distinta a la del fumador de cigarros y depende de cada vapeador. Desafortunadamente, la evaluación correcta de la toxicidad requiere programar las máquinas de vapeo para que reproduzcan la topografía del vapeo en la vida real. Muchos estudios han obtenido estimaciones incorrectas de toxicidad (típicamente sobre-estimaciones) al considerar caladas demasiado largas e intervalos demasiado cortos entre caladas, lo cual también contribuye a la dificultad de comparación con otros estudios (la manera correcta de establecer la topografía del vapeo ha sido estudiando en detalle en este artículo).

Estimaciones en condiciones anormales de vapeo: la calada en seco o “dry puff”. Además de la dificultad de reproducir la topografía del vapeo, las máquinas de vapeo fácilmente pueden midiendo concentraciones cuando los dispositivos operan a temperaturas demasiado elevadas (cuando el líquido del tanque atomizador de agota). El vapeo en estas condiciones produce en el vapeador humano una sensación de sabor sumamente desagradable, la cual es sistemáticamente evitada. Evidentemente, las máquinas simplemente siguen operando, por lo que detectan niveles demasiado altos de concentraciones de compuestos tóxicos (esto ha causado una estimación muy alta de formaldehido que es citada en las fuentes desinformación, ver detalle aquí y aquí).

Ejemplo de experimento usando máquinas de vapear. Una calada típica aspira un volumen de 70 mililitros (0.070 metros cúbicos). Una vez calibrada la máquina, supongamos que inhala este volumen y mediante técnicas de cromatografía y espectrometría de masas (proporcionamos detalles mas adelante) mide una concentración instantánea de un compuesto C en una calada de (supongamos) 0.0026 mg. Si el vapeador da 150 caladas en 8 horas, la exposición a C es 0.0026 X 150 = 0.39 mg. La exposición de C, calibrada en términos del aire total respirado, es entonces 0.39 X 0.007 = 0.00027 mg o 0.2 microgramos. Esta exposición se puede comparar con la exposición obtenida para el compuesto C por el humo de un cigarro o con el valor de C dado por estándares de exposición ocupacional como el TLV.

Ejemplo de experimento usando vapeadores. Supongamos que la concentración de un componente C medida en una cámara de 3 X 3 X 3 = 27 metros cúbicos es de 1 miligramo (̨mg = 0.001 gm) por metro cúbico. Si el volumen de la calada en 70 mililitros (0.070 metros cúbicos), entonces la concentración instantánea del compuesto C en una calada es 0.070/27 = 0.0026 mg. 
La estimación de la exposición en el tiempo dado (8 horas) procede de la misma manera que en el ejemplo anterior.

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Ejemplos de procedimientos de laboratorio

El siguiente artículo (de libre acceso en el enlace que proporcionamos) describe en forma muy pedagógica y accesible las técnicas de química analítica (cromatografía y espectrometría) típicamente utilizadas en los experimentos de estimación de concentraciones y exposiciones de compuestos en el vapor:

M L Goniewicz (2014) et al. “Levels of selected carcinogens and toxicants in vapour from electronic cigarettes.” Tobacco Control, 23(2), 133-139. doi:10.1136/tobaccocontrol-2012-050859 (Enlace) Acceso Libre

El artículo describe primero la topografía del vapeo (volumen y cadencia de la calada) que considera y la adaptación de la máquina de fumar para capturar muestras de vapor de cigarros electrónicos especificados. Aunque éstos estos fueron modelos “cigalike” de primera generación ya en desuso y la topografía del vapeo utilizada no es la adecuada (ver  discusión sobre este tema), el artículo es muy útil para describir las técnicas de química analítica. A continuación traducimos su sección de química analítica.

Estaba planeado absorber los componentes del vapor a analizar en bulbos conteniendo un solvente orgánico (extracción a líquido) o algún sorbente adecuado (extracción a sólido). Para esto fue necesario modificar el sistema de captura de vapor descrito, de tal manera que permitiera posibilitar una conexión rápida al sistema de sorción deseado. Los componentes carbonilos y orgánicos, debido a su alta volatilidad, fueron atrapados en tubos llenos de adsorbente sólido. Los metales y las nitrosaminas, caracterizados por su baja volatilidad, fueron absorbidos en dos botellas lavables de gas conteniendo metanol (50 ml por botella). Ambas botellas fueron inmersas en baños de acetona en seco para evitar pérdidas de material volátil. Las muestras, después de su proceso de preparación y condensación, fueron analizadas utilizando métodos analíticos de alta especificidad y sensibilidad, lo que permite detectar hasta trazas de los compuestos analizados.

La figura 1 muestra el proceso de preparación de la muestra (los métodos analíticos están descritos en detalle en el material suplementario, en inglés).

El resumen de las técnicas utilizadas y compuestos a detectar viene resumido en la siguiente tabla:

Figura 2 despliega la fotografía del generador de vapor y su conexión a las botellas de absorción de nitrosaminas y metales:

La Tabla 4 muestra la exposición a varios compuestos tóxicos del vapor detectada en el estudio de Goniewicz et al. Las exposiciones son entre 9 y 450 veces menores que el humo del cigarro. Sin embargo, es necesario remarcar que en dicho estudio se utilizaron cigarros electrónicos de primera generación (tipo cigalike) ya en desuso.  Los dispositivos de última generación reducen considerablemente estas exposiciones.

Referencias: estudios reseña

Han sido llevados a cabo mas de cien estudios sobre el análisis químico del aerosol del cigarro electrónico. Los resultados de estos estudios han sido recopilados en estudios de reseña extensa, tanto reseñas sobre el cigarro electrónico en general, como reseñas especiales sobre la química y la toxicología.

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Informe del Royal College of Physicians (RCP), Capítulo 5.3.2 (traducido del inglés):


Por brevedad solo mencionamos la reseña del RCP sobre química y toxicología del vapor de cigarro electrónico, sin embargo todos los artículos de reseña extensa que citamos en este sitio (enlace) contienen una reseña semejante de la literatura en este tema. Es de notar el párrafo que transcribimos a continuación es una revisión de los resultados de 22 artículos citados por el RCP de investigación primaria

Algunos de los 22 artículos citados en este párrafo son en si mismos reseñas de artículos que han revisado extensivamente la investigación sobre la química y toxicología del vapor de cigarro electrónico. Revisamos mas adelante los dos artículos reseña entre los citados por el RCP y a uno de publicación mas reciente.

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Artículo reseña extensa I: comparación con umbrales de seguridad laboral.

La reseña mas completa y extensa sobre la química del vapor del cigarro electrónico está contenida en el siguiente artículo (de libre acceso) el cual que revisó 35 trabajos y mas de 9000 observaciones de laboratorio llevadas a cabo hasta 2014:

Igor Burstyn Ph D, “Peering through the mist: systematic review of what the chemistry of contaminants in electronic cigarettes tells us about health risks”, BMC Public Health 2014 14 18. Enlace

Los objetivos específicos de este artículo reseña son:

  1. Sintetizar la evidencia sobre la química de líquidos y aerosoles de los cigarros electrónicos, con énfasis particular en los contaminantes
  2. Evaluar la calidad de la investigación sobre la química de líquidos y aerosoles producidos por los cigarros electrónicos
  3. Estimar las exposiciones potenciales desde aerosoles producidos por cigarros electrónicos y comparar estas exposiciones con los estándares de exposición ocupacional

¿Que hace especial a este artículo?

  • Hace una revisión meticulosa de 35 artículos que analizan la química de líquidos y aerosoles asociados al cigarro electrónico
  • Explica en detalle como calcular la exposición al vapor y a cada uno de los contaminantes identificados en un turno de 8 horas, bajo suposiciones razonables de la mecánica del vapeo (tiempos y consumo de aerosol y aire en cada calada, número de caladas en 8 horas, ver figura 1)
  • LO MAS IMPORTANTE: No compara la exposición calculada para cada contaminante en comparación con la del humo del cigarro convencional, ya que la baja toxicidad con respecto a éste último ya había sido probada por varios artículos anteriores.
De hecho, es posible argumentar que el humo del cigarro convencional es tan tóxico que no basta que el vapor sea “menos tóxico”. Por lo tanto, Burstyn hace una comparación mucho mas ambiciosa: con los “Límites de Valores de Umbral (Threshold Limit Values, TLV) de exposición permitida por el estándar de seguridad laboral del National Institute of Health and Human Services (NIOSH).

La metodología y resultados son:

Las conclusiones clave:


  • Incluso cuando se compara con estándares laborales de exposición involuntaria (no deseada), y utilizando varias suposiciones conservadoras (pecar de exceso de cautela), las exposiciones por el uso de cigarros electrónicos caen muy por debajo de los umbrales de preocupación para compuestos de toxicidad conocida. Esta afirmación se sostiene aun ignorando los beneficios de uso del cigarro electrónico y el hecho que el vapeador activamente escoge esta exposición, e incluso comparando con los niveles que son considerados como inaceptables a personas que no se benefician por la exposición y no la desean. En todos los casos las exposiciones no requieren acción remedial.
  • La preocupación por la exposición a la nicotina solo aplicaría a vapeadores que no desean consumirla; una exposición voluntaria (intencional) es diferente a un contaminante.
  • No hay causa de preocupación seria por contaminantes tales como compuestos orgánicos volátiles (formaldehido, acroleína, etc) producidos por el calentamiento del líquido. Aunque estos contaminantes se encuentran presentes, han sido detectados únicamente a niveles problemáticos en algunos estudios que consideraron niveles de calentamiento no-realistas (calada seca).
  • La preocupación mencionada frecuentemente (FDA) sobre contaminación del líquido por cantidades no-triviales de etilenglicol o dietilenglicol está basada en el análisis de una sola muestra de un producto de tecnología anticuada (la cual tampoco llegó a nivel sanitario preocupante) y no ha sido replicada.
  • Las nitrosaminas específicas del tabaco (TSNA) se encuentran presentes a nivel de trazas y presentan (probabelemente) menos peligro sanitario que las TSNA de productos modernos de tabaco mascado, los cuales no causan riesgo medible de cáncer
  • La contaminación debida a metales ocurre también a nivel de trazas y no presenta riesgo sanitario. Las afirmaciones alarmistas sobre estos contaminantes se basan en suposiciones no-realistas sobre la forma molecular de estos compuestos.
  • La literatura existente tiende a sobre-estimar las exposiciones y exagerar sus implicaciones. Esto se debe en parte a exceso retórico, pero también resulta debido a aspectos técnicos. El mas importante de éstos es la confusión entre “concentración” en el aerosol, lo cual en si no dice mucho sobre los riesgos sanitarios, y la exposición total mas pequeña a los compuestos en el aerosol promediada a lo largo del aire inhalado durante el día. Hay también un claro sesgo en reportes previos a favor de ejemplos aislados del nivel mas alto de un solo compuesto detectado en múltiples estudios, de modo que la exposición promedio calculada resulta ser mayor que el valor correcto por haber omitido aquellos ceros “faltantes”.
  • El monitoreo rutinario de la química de los líquidos es mas económica y fácil de hacer que la evaluación de los aerosoles. La combinación del entendimiento de como la química de los líquidos afecta la de los aerosoles y la mecánica del vapeo, puede servir como una herramienta útil para asegurar la seguridad sanitaria de los cigarros electrónicos
  • La única exposición no-intencional (aparte de la nicotina) que podría parecer que requiera mas investigación es la de los mismos compuestos “portadores”, propilenglicol y glicerol. No se conocen daños sanitarios por esta exposición a largo plazo, pero la magnitud de esta exposición es novedosa y requiere ser monitoreada.

Posibles limitaciones de este estudio

El estudio del Profesor Igor Burstyn data de 2014, por lo tanto surge la cuestión de su vigencia el día de hoy, siendo que el cigarro electrónico es una tecnología emergente de rápido desarrollo. Las diferencias principales entre los dispositivos disponibles en 2014 y los actuales mas novedosos son: fuentes de mayor poder, resistencias sub-óhmicas en atomizadores con rosca inferior y mecha de algodón (bottom coil cotton wick). Como muestra un estudio mas reciente que examinamos mas adelante (enlace), estas innovaciones reducen las emisiones de carbonilos (en particular aledhidos), los cuales sin los compuestos tóxicos mas comunes en la degradación térmica del propilenglicol. Por lo tanto, la evaluación realizada por el estudio reseña de Burstyn es vigente, ya que proporciona una cota superior de comparación con umbrales de seguridad.

Críticas de activistas anti-vapeo y su refutación

Un académico de la Universidad de California en San Francisco, conocido activista anti-vapeo (ver detalles), afirmó que el estudio reseña de Burstyn utilizó un umbral de exposición ocupacional (Límites de Valores de Umbral, Threshold Limit Values, TLV) como referencia de comparación que “no es lo suficientemente protector, en espacial para infantes, ancianos o personas sensibles“. Esta no es una crítica bien fundamentada, ya que el cigarro electrónico es un producto de consumo voluntario cuyo uso no es recomendado (ni es común) en este tipo de personas.

El estudio del Dr Burstyn considera la equivalencia correcta entre usuarios del cigarro electrónico que inhalan voluntariamente el aerosol y trabajadores que se exponen, voluntariamente, a contaminantes como parte de su jornada laboral. Por lo tanto, la comparación con el TLV es acertada. Se puede argumentar que infantes, ancianos o personas sensibles en el entorno de vapeadores son comparables a usuarios completamente involuntarios que requieren el umbral de protección mas estricto posible. Sin embargo, como se puede apreciar en las tablas que desplegamos mas adelante, los resultados de Burstyn muestran que las exposiciones a la inmensa mayoría de los contaminantes del aerosol difícilmente llegan al 1% del umbral TLV, e incluso no superan este umbral suponiendo el escenario mas pesimista (penúltima columna de las tablas), por lo que estas exposiciones deben estar por de bajo de cualquier umbral de seguridad mas estricto. Además, este tipo de personas no están expuestos a contaminantes del vapor inhalado, sino del vapor ambiental, la cual (como asegura Burstyn) es órdenes de magnitud menor. 

La refutación de la crítica al estudio de Burstyn está descrita en detalle en este blog y en este comentario.

 

Resultados: Tablas de comparación con el TLV

Los resultados de este estudio están resumidos en las siguientes tablas de comparación del la exposición a contaminantes y la exposición tolerada por el umbral de seguridad ocupacional TLV (Límites de Valores de Umbral, Threshold Limit Values). Para la inmensa mayoría de los compuestos la exposición es menor al 1% del TLV, siendo la mas contaminante apenas 7%. Las tablas ofrecen (penúltima columna) una tasa de comparación multiplicada por 10 para tomar en consideración (hacia el peor escenario) las posibles imprecisiones en los estudios analizados (ver explicación de las tablas después de su despliegue).

Tabla 1:
Compuestos orgánicos volátiles. Exposiciones generadas por máquinas de vapear. Nótese como las exposiciones caen muy por debajo de los límites del umbral de seguridad ocupacional TLV. Esto sucede incluso con los aldehidos que han causado escándalo mediático: formaldehido y acroleína.

Tabla 2:
Compuestos orgánicos volátiles. Datos generados por vapeadores. Nótese como las exposiciones caen muy por debajo de los límites del umbral de seguridad laboral del NIOSH. Esto sucede incluso con los aldehidos que han causado escándalo mediático: formaldehido y acroleína.

Tabla 3:
Compuestos inorgánicos. Datos generados por máquinas de vapear. Nótese como, al igual que los compuestos orgánicos volátiles, las exposiciones de (principalmente) metales caen muy por debajo de los límites del umbral de seguridad laboral TLV.

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Artículo reseña extensa II

El siguiente es otro artículo de reseña extensa que revisó 114 artículos publicados hasta 2014 (no todos sobre la química de aerosol). La referencia  es

K E Farsalinos and R Polosa, “Safety evaluation and risk assessment of electronic cigarettes as tobacco cigarette substitutes: a systematic review”. Ther Adv Drug Saf. 2014 Apr; 5(2): 67–86. doi: 10.1177/2042098614524430 (Enlace) (PDF)

A continuación traducimos las conclusiones del artículo y presentamos varias tablas de comparación que incluye:

Conclusiones

  • La evidencia disponible indica que el uso del cigarro electrónico es, por mucho, una alternativa menos dañina a fumar cigarros. No contienen tabaco y su funcionamiento no involucra combustión, por lo tanto vapeadores habituales consiguen evitar inhalar varios compuestos químicos tóxicos típicamente presentes en el humo del cigarro. De hecho, algunos de estos compuestos son también emitidos en el vapor del cigarro electrónico, pero sus concentraciones son sustancialmente menores en referencia al humo del cigarro, y en algunos casos (como las nitrosaminas específicas del tabaco) son comparables con las concentraciones en productos farmacéuticos de administración de nicotina.
  • Es obvio que algún riesgo residual permanece por el uso del cigarro electrónico, pero lo mas probable es que este riesgo es trivial con las consecuencias devastadoras de fumar cigarros.
  • De todas maneras, aun hace falta mas investigación en varios aspectos, tales como el diseño de los atomizadores y de materiales que reduzcan aun mas las emisiones tóxicas y mejoren la administración de nicotina, así como investigación sobre los ingredientes en los líquidos para determinar los riegos relativos de la variedad de compuestos (principalmente saborizantes) que son inhalados.

NOTA. Este artículo fue publicado en 2014. Menciona que “aun hace falta mas investigación en varios aspectos“. Ya en 2018 (cuatro años después) la tecnología de los components del cigarro electrónico ha evolucionado y mucha de esta investigación ha sido realizada.

Tabla 3: Comparación de la concentración y exposición a nitrosaminas específicas del tabaco en un cigarro electrónico, un chicle de nicotina farmacéutico y varias marcas de cigarro de tabaco. Es evidente que los niveles de exposición a estos compuestos por usuarios del cigarro electrónico son mucho menores que en el cigarro y comparables a los niveles de productos farmacéuticos sujetos a estándares estrictos de vigilancia sanitaria.

Tabla 2. Resumen de resultados de algunos de los estudios revisados por esta reseña. Todos reportan la presencia de compuestos tóxicos en concentraciones mucho menores a las del humo de tabaco.

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Artículo reseña extensa III:  Emisiones de carbonilos

Los compuestos tóxicos más comunes del vapor del cigarro electrónico pertenecen al grupo de compuestos orgánicos conocidos como carbonilos.  Por lo tanto, el siguiente es un artículo de reseña extensa sumamente importante: revisó 32 artículos publicados entre 2010 y 2017 sobre las emisiones de carbonilos en el aerosol del cigarro electrónico:

K. E. Farsalinos and G. Gillman, “Carbonyl emissions in e-cigarette aerosol: a systematic review and methodological considerations”. Front. Physiol., 11 January 2018 | https://doi.org/10.3389/fphys.2017.01119 (enlace) (PDF disponible para descarga en el enlace)..

La reseña involucra únicamente a los carbonilos, los cuales son un grupo de compuestos orgánicos caracterizados por contener un átomo de carbono con doble enlace a un átomo de oxígeno. Son de interés en la química analítica del aerosol del cigarro electrónico por contener a aldehidos como la acroleina y el formaldehido que son cancerígenos y están presentes en concentraciones menores en el aerosol. 

Además, el artículo fue publicado en 2017, por lo que su relevancia estriba an haber revisado estudios que han examinado el aerosol producido por cigarros electrónicos de diseño reciente. También, el artículo discute aspectos importantes de la cuantificación de las emisiones de contaminantes en el aerosol:

  • los efectos en las mediciones debidos a la “topografía del vapeo” por diversos protocolos de estimación del volumen y cadencia de la calada (en máquinas de vapeo),
  • los métodos y técnicas de química analítica utilizados (captura del aerosol, separación de ingredientes y medición de concentraciones por cromatografía y espectrometría de masas)
  • el fenómeno de la “calada en seco” y otros efectos que pueden suceder en condiciones de laboratorio pero que no corresponden al vapeo real (y que por ende, carecen de implicaciones clínicas).
  • el efecto de nuevos dispositivos en las emisiones de carbonilos en comparación con los dispositivos anteriores
  • la relación entre las emisiones de carbonilos y los saborizantes en la solución líquida de propilenglcol y glicerol

Resumen A continuación traducimos el resumen (abstract)

Extractos

Introducción

Altos niveles de carbonilos son emitidos en el humo del cigarro de tabaco (Rustemeier et al., 2002; Counts et al., 2005; Baker et al., 2006; Paschke et al., 2014), principalmente derivados de la degradación térmica de azúcares debida a la alta temperatura de la combustión al fumar. El formaldehido está clasificado como un cancerígeno para humanos del grupo 1 por la Agencia Internacional de Investigación en Cáncer, mientras otros carbonilos como la acroleína y el acetaldehido también están listados como cancerígenos por la Occupational Security and Health Administration (OSHA).

Es sabido que los principales ingredientes de los líquidos que usan los cigarros electrónicos, propilenglicol (PG) y glicerol (VG) pueden producir carbonilos por oxidación (Bekki et al., 2014; Spencer and Lauterbach, 2015). Como consecuencia, el evaluar las emisiones de carbonilos por cigarros electrónicos es un paso importante para determinar sus riesgos sanitarios absolutos y relativos (con respecto al cigarro), especialmente considerando la variabilidad del rendimiento, características, diseños y patrones funcionales de los diversos dispositivos.

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Régimen (duración y cadencia) de las caladas.

Una característica importante observada en esta reseña es la diversidad del régimen de caladas, los materiales de captura de los carbonilos, métodos analíticos y las unidades en las mediciones reportadas. Esto es de esperar dada la ausencia de patrones estándar de este régimen.

Es de espacial importancia resaltar que 22 patrones diferentes fueron identificados. El volumen de la calada va de 33.4 a 152.8 ml, pero la mayoría de los estudios consideraron volúmenes entre 40 y 70 ml. No se espera que el volumen de la calada afecte las emisiones de carbonilos cuando se mantiene en rangos razonables.

La inhalación directa a los pulmones está asociada con volúmenes de calada que superan con creces el volumen de marea, con mediciones anecdóticas (efectuadas por los autores) de hasta 1.5 lt por calada o más. Esta diferencia puede afectar la temperatura en la rosca y, por lo tanto, a la tasa de degradación térmica de los ingredientes del líquido, lo cual conduce a resultados que no corresponden a la exposición debida al uso humano. La duración de la calada varió entre 1.8 a 8 segundos, utilizando la mayoría de los estudios el rango de 2 a 4 segundos.

La duración de la calada es un parámetro importante en la generación de temperatura, ya que directamente incide en el suministro de energía al atomizador. Aunque estudios sobre la topografía del vapeo han identificado el rango de entre 2 y 4 segundos como una elección razonable (Farsalinos et al., 2013a; Hua et al., 2013), es importante enfatizar que este parámetro es complicado. La concentración de nicotina en los líquidos y el nivel adecuado de la potencia en los dispositivos son factores que se sabe afectan la duración de la calada (Dawkins et al., 2016; Lopez et al., 2016; Farsalinos K. et al., 2017a). Esto es importante en los productos de nueva generación, que son en su mayoría dispositivos que admiten una fuente cuyo poder se puede ajustar.

El suministro de nicotina en el aerosol también depende de las características de rendimiento de los atomizadores y varía entre atomizadores incluso usando el mismo líquido,

El intervalo entre caladas va de entre 10 a 60 segundos, con la mayoría de estudios considerando el valor de 30 segundos, el cual es una elección razonable. Un intervalo entre calada de 10 segundos fue considerado para calibrar las máquinas de vapear en el estudio de Goniewicz et al., 2014 (el estudio que usamos para ilustrar las técnicas de química analítica) basado en observaciones en vapeadores humanos. Este intervalo tan corto (además de un tiempo de calada demasiado corto de 1.8 segundos) se debe a que utilizaron dispositivos de primera generación (ya en desuso).

El intervalo entre caladas puede afectar la temperatura de evaporación, ya que el cigarro electrónico genera calor únicamente cuando es activado, mientras que al terminar la calada gradualmente decrece hasta niveles ambientales. Un intervalo entre caladas demasiado corto puede resultar en temperaturas iniciales demasiado altas l tiempo del inicio de la siguiente calada, lo cual puede afectar la temperatura máxima y la carga térmica total. Un resultado potencial de tiempos entre caladas podría ser la generación de condiciones de “calada en seco”.

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La “calada en seco” (dry puff)

Un asunto relevante en la elección de la duración de la calada y las configuraciones de potencia usadas en el laboratorio es el fenómeno de la “calada en seco”. Este es un parámetro organoléptico (sensorial) de sabor desagradable (“quemante”) relacionado al sobre-calentamiento de los líquidos que es ampliamente conocido y reportado por vapeadores. Fue mencionado por vez primera en la literatura en 2013 (Farsalinos et al., 2013a; Romagna et al., 2013), y fue discutido en detalle en 2015 por (Farsalinos et al., 2015).

El sobre-calentamiento ocurre cuando hay un desequilibrio entre el suministro de líquido a la mecha de la cabeza del atomizador y la energía suministrada a la rosca. La energía suministrada por la batería es transformada en el calor necesario para aumentar la temperatura del líquido para permitir su evaporación. El sistema eventualmente alcanza un equilibrio que mantiene una temperatura específica y el líquido se evapora al aspirar la calada (Soulet et al., 2017).

Cuando no hay suficiente líquido en la rosca para mantener este balance, más energía en calor con lo que aumenta la temperatura de la rosca y aumenta la tasa de degradación térmica de los ingredientes del líquido. Condiciones tales como bajos niveles de líquido en el atomizador, demasiada energía suministrada que sobrepasa la aceptable por el diseño de la cabeza del atomizador (demasiada potencia y/o duración de la calada), o suministro limitado de líquido a la rosca (debido a líquidos con alta viscosidad) pueden romper el balance.

Aspectos del diseño del atomizador, como la masa y el área de la rosca que se calienta, el volumen del sistema de alimentación del líquido a la mecha determinan el rango ideal de energía (potencia por duración) para cada atomizador, lo cual obviamente varía de producto en producto. La capacidad de las baterías del cigarro electrónico de suministrar una gama amplia de potencia no implica que todos los atomizadores pueden usarse con la misma configuración de potencia. Como las “calada en seco” son detectadas y evitadas por los vapeadores debido al sabor y la experiencia desagradable, es importante para los estudios en laboratorios asegurar que las “caladas en seco” no sean generadas durante la generación de aerosol para indagar y probar las emisiones. Como este es un parámetro sensorial subjetivo, solamente un vapeador veterano puede determinar si hay generación de “caladas en seco”, al probar el cigarro electrónico en condiciones (duración de la calada, intervalo entre calada y configuración de potencia) que sean las mismas que las que están siendo probadas en el laboratorio.

Las caladas en seco tienen mas probabilidad de ocurrir cuando se prueba un cigarro electrónico cuya batería admite un ajuste variable de potencia. Desafortunadamente, muy pocos estudios aseguran que no se generen caladas en seco bajo las condiciones que usan en el laboratorio o prueban que éstas no se generen reclutando vapeadores que avisen (Farsalinos et al., 2015; Farsalinos K. E. et al., 2017a, 2017b; Geiss et al., 2016).

Es importante remarcar que los estudios realizados bajo condiciones de uso realistas y verificadas, muestran que las emisiones de carbonilos del vapor del cigarro electrónico son mucho menores que en el humo del tabaco.

En varios estudios hay indicaciones de que fueron generadas condiciones de calada en seco al probar los aerosoles. Por ejemplo (Hutzler et al. 2014) utilizó el dispositivo hasta que no hubo mas emisión visible de aerosol, la cual es una condición claramente asociada a la calada en seco.

Ya ha sido bien documentado que los resultados de (Jensen et al. 2015), que mostraron que los cigarros electrónicos emiten niveles de formaldehido de entre 5 y 15 veces mas altos que el cigarro de tabaco, fueron obtenidos en condiciones extremas de calada en seco (Farsalinos K. E. et al., 2017b). Sleiman et al (2016) encontraron emisiones inesperadamente altas de carbonilos en cigarros electrónicos (hasta 48 mg de formaldehido y 18 mg/g se acetaldehido), lo cual indica una alta posibilidad de caladas en seco. Como nota aparte, los niveles de formaldehido detectados corresponden a una exposición usando 5 gm de líquido (consumo promedio de vapeadores) es equivalente a la de fumar mas de 3500 cigarros de tabaco diarios (Counts et al., 2005).

Los autores del estudio de Jensen et al, citado anteriormente, llevaron a cabo un análisis de evaluación de riesgo e identificaron, como era de esperar, altos niveles de exposición y gran riesgo a los consumidores (Logue et al., 2017). Este estudio fue replicado por el estudio de (Farsalinos et al 2017a), el cual identificó estas sobre-emisiones sustanciales de carbonilos con condiciones que generan caladas en seco. Por lo tanto las afirmaciones de Jensen et al sobre mediciones de emisiones de carbonilos y su evaluación de riesgos carecen de relevancia clínica. De hecho, altas emisiones de carbonilos pueden ser obtenidas “a pedido”, simplemente al sobre-calentar los dispositivos a temperaturas extremas. La temperatura puede incluso alcanzar valores que se acercan a los 1000 grados centígrados cuando se agota por completo el líquido de la mecha (Geiss et al., 2016), lo cual produciría un aumento de órdenes de magnitud de las emisiones de carbonilos. Por lo tanto, el asegurar que las condiciones de calada en seco sean evitadas es esencial al examinar emisiones de carbonilos (o de otros compuestos que pueden surgir por degradación térmica) en el contexto de exposiciones realistas del uso en humanos.

Métodos analíticos

Ha habido varios enfoques analíticos diferentes en las mediciones de aldehidos en el aerosol de cigarros electrónicos, pero el método más común incluye el uso de la técnica DNPH (cartuchos de silicón acoplados impregnados con hidroquinona y 2,3 dinitrofenilhydrazina) para producir aductos de DNPH. Los métodos basados en la técnica DNPH han sido muy utilizados en el análisis del humo de tabaco y han sido útil para una amplia gama de matrices.

Sin embargo, los métodos basados en la técnica DNPH tienen limitaciones potenciales. Tubos sorbentes recubiertos han tenido un mal rendimiento en las mediciones de aldehidos no saturados como la acroleína (Ho et al., 2011). Adicionalmente, un estudio probó varios cartuchos DNPH recubiertos con cigarros electrónicos, encontrando que algunos provocaron una caída significativa de la la presión (Geiss et al., 2016), lo cual puede impedir el flujo de aire a través del atomizador, y por ende resultar en un sobre-calentamiento que el vapeador no experimentaría en condiciones de uso real. Significativamente, el DNPH reacciona fácilmente con una amplia gama de de aldehidos y cetonas , no solamente con formaldehido, acetaldehido y acroleína, lo que puede implicar reporter resultados erróneos.

Tomando en cuenta que los aerosoles de los cigarros electrónicos son una mezcla compleja que incluye saborizantes que contienen varios compuestos, incluyendo aldehidos no-tóxicos, hay posibilidad de sobre-estimación (falsos positivos) e identificación incorrecta de de aldehidos en los saborizantes como carbonilos tóxicos. La variedad de compuestos que pueden estar presentes en saborizantes de líquidos específicos hace muy difícil determinar con precisión los componentes carbonilos producidos por la descomposición térmica del PG y el VG.

Los métodos analíticos usados con los cigarros electrónicos son típicamente validados utilizando algunos pocos líquidos con saborizantes, y como no es posible como validación del método incluir toda la amplia gama de sabores disponibles comercialmente, se previene a los investigadores que confirmen resultados atípicos usando por lo menos algún otro método alternativo.

Los métodos analíticos alternativos también tienen desventajas . Como los aerosoles del cigarro electrónico son mezclas complejas de partículas semi-líquidas (Ingebrethsen et al., 2012), la colección en bolsas de Tedlar puede conducir a pérdidas de muestra por condensación. Otros métodos de análisis, incluyendo GS-MS (cromatografía de gases con espectrometría de masas) y NMR no son utilizados con frecuencia, por lo que los detalles de validación de métodos no ha sido publicada para estos métodos. Todo resultado usando nuevos métodos debe ser comparada con las métodos establecidos.

Unidades en las mediciones

Los niveles de las emisiones de carbonilos son típicamente reportadas en cantidades por número de caladas. Aunque esto puede ser relevante en la investigación sobre humo de tabaco, tiene una limitación mayor en cigarros electrónicos al comparar diferentes configuraciones o ajustes de potencia y duraciones de la calada. No toma en cuenta que la entrega de aerosol (consumo de líquido) aumenta sustancialmente en configuraciones de alta potencia (Gillman et al., 2016) o con caladas de larga duración (Talih et al., 2015).

Incluso si la tasa de degradación térmica (porcentaje de líquido transformado en aldehidos) permanece estable, el mayor consumo de líquido por calada inevitablemente aumenta los niveles absolutos de carbonilos por calada, pero no necesariamente la cantidad por líquido consumido.

Como los sondeos han mostrado, los vapeadores miden el uso de cigarro electrónico en términos del consumo de líquido por día en vez de número de caladas (Dawkins et al., 2013; Farsalinos et al., 2013b, 2014), por lo que el reportar las emisiones en términos del consumo de líquido es más informativo y esencial para evaluar la exposición correcta a los carbonilos. De hecho, las emisiones de carbonilos deberían reportarse en unidades de consumo de líquido, lo cual es probablemente el determinante principal de la exposición a estas emisiones.

Saborizantes

Un estudio (Khlystov and Samburova, 2016) que merece mención especial encontró que los componentes en los saborizantes en algunos de los líquidos son la fuente principal de las emisiones de carboniles de los cigarros electrónicos, detactando altos niveles de hasta 10 mil veces mayores que en líquidos sin saborizantes. En una carta al editor se comentó que otros estudios que compararon líquidos con y sin saborizantes no detectaron diferencias tan grandes en las emisiones de carbonilos (Farsalinos K. et al. 2017a; Klager et al. 2017)

Como la inmensa mayoría de los vapeadores usan líquidos con saborizantes, un resultado que encuentra que los saborizantes que detecta emsionessutanciales de carbonilos (mas de 7 mg/g de formaldehido) tiene implicaciones sanitarias importantes. Por lo tanto, es extremadamente importante replicar este estudio y expandir la variedad de saborizantes para identificar a compuestos que pudieran potencialmente contribuir a la emisión de carbonilos.

Dispositivos de última generación

Finalmente, es necesario mencionar que tres estudios que evaluaron atomizadores de última generación (sistemas de tanque con mecha de algodón) reportaron extremadamente bajas emisiones de carbonilos, incluso en configuraciones de alta potencia (Gillman et al., 2016; Farsalinos K. E. et al., 2017a; Kosmider et al., 2017). Una característica importante de estos dispositivos es que la cabeza del atomizador está ubicada en la parte inferior del tanque (“rosca inferior”), lo cual facilita la reposición del líquido por gravedad. Adicionalmente, la mecha contiene algodón, en vez de silicón, que tiene mayor sorción y es mas poroso, lo cual refuerza el abastecimiento de líquido a la fuente de calor.

El estudio de (Gillman et al., 2016) también evaluó atomizadores mas antiguos y encontró niveles sustancialmente mayores de emisiones de carbonilos. Ese estudio indica que el desarrollo de nuevos atomizadores con mejores elementos en la mecha conduce no solo a un mejor rendimiento y funcionalidad (mas entrega de aerosol por calada), sino que también un mejor perfil de seguridad del aerosol.

De hecho, las emisiones de carbonilos de atomizadores de nueva generación no solamente son mucho menores a las del humo de tabaco, son incluso menores a las comúnmente medidas en los límites de seguridad ambientales y ocupacionales. Por ejemplo, la Organización Mundial de la salud (OMS) reporta que el aire en espacios interiores de casas habitación puede registrar concentraciones de hasta 250 mg/m3 de formaldehido, aunque en promedio se registra alrededor de menos de 50 mg/m3. Suponiendo un volumen de ventilación diario de 20 metros cúbicos por día, la exposición diaria al formaldehido por respirar aire en espacios internos es aproximadamente 1000 mg, que es con creces superior a la exposición total de 83.3 mg generada por el aerosol producto del consumo de 5 gm del líquido usado en un atomizador de última generación probado por (Farsalinos K. E. et al., 2017a). Los riesgos sanitarios por estos niveles de exposición son despreciables.

Es también importante mencionar que las emisiones de carbonilo no constituyen el riesgo total debido al uso del cigarro electrónico, ya que también puede haber emisiones de otros compuestos con potencial tóxicológico. Hace falta llevar a cabo mas estudios que examinen como los desarrollos tecnológicos afectan el proceso de evaporación, las temperaturas de evaporación y la degradación térmica de los ingredientes del líquido.

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